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摘要：中央空调广泛应用于写字楼、酒店、医院等建筑物中，而空调的能耗非常惊人，随着环境节能理念的提出，对中央空调系统变频的优化设计具有重要意义。本文简要论述中央空调的变频控制及优化设计，供同行参考。
关键词：中央空调；变频技术；节能设计
中图分类号：TU201.5文献标识码： A 文章编号：
一、中央空调系统的组成
如图1所示，中央空调系统主要由主机制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统等组成。
图1 中央空调系统的组成框图
主机制冷系统是中央空调系统的心脏———“致冷源”，由冷冻主机、压缩机、蒸发器和冷凝器组成。在蒸发器里，制冷剂和冷冻水发生热量交换，将冷冻水降温制冷，制冷剂吸收热量后蒸发;在冷凝器里，蒸发后的制冷剂和冷却水发生热量交换，制冷剂释放出热量，被冷却水带走。
冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水(出水)，由冷冻泵加压送入冷冻水管道，送到各风机风口的冷却盘管中，由盘管风机吹送冷风带走房间内的热量，达到冷却空气的目的。同时，吸收热量后温度升高的冷冻水(回水)，再流回冷冻主机。
冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷却泵将吸收热量后温度升高的冷却水(出水)压入冷却塔中，由冷却塔风机对其进行喷淋冷却，与大气进行热交换，再将降温了的冷却水(回水)送回到冷冻机组的冷凝器中，去吸收制冷剂放出的热量，使冷冻主机降温。回水的温度高于出水的温度，形成了温差。
二、水泵变频控制的节能原理
由于中央空调系统在设计时是按现场最大需求量时设计的，冷冻机组按照最大负荷配置，并且留10%～20%的设计余量，因此在实际使用中，冷冻机组、冷却泵和冷冻泵有超过90%的时间都工作在非满载状态下，所以节能的潜力较大。
风机、水泵类负载的特性如下:
(1)
式中; ,———电机转速;
，———水流量;
，———水泵扬程;
，———水泵轴功率。
即流量与转速成正比，压力正比于水泵扬程，与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。
转速公式:
=60（1-）/ (2)
式中：———电源频率;
———极对数;
———转差率。
即电机转速正比于电源频率。
由式(1)和式(2)可知，调节电机电源的频率即可改变电机转速，进而调节泵的转速、流量和轴功率。由此可见，通过频率改变，使风机、水泵转速下降时消耗的功率也大大下降，达到节能的目的。
三、中央空调变频控制设计
3．1主机制冷系统变频控制
制冷循环系统是中央空调系统的心脏，其能耗达到总能耗的60%以上，因此制冷循环系统的节能是整个系统节能的重要环节。
(1)对压缩机进行变频控制。采用变频控制的压缩机实现了软起动、软制动，大大降低了起动电流，运行噪声减小、温升降低、振动减少，能检测负载轻微的变化，并迅速调整输出。其功耗是以流量降低的三次方比例降低，且运行参数的控制精度更高，让机组始终处于最佳的运行状态，可以实现年均节能30%以上。在低负荷时，节能约可达70%，达到了大幅节能的效果。
(2)同时，压缩机也可采用多机并联制冷方式。即每次开机时，首先投入全部压缩机运行，使冷冻水出口温度降至8℃以下，1～1．5 h后部分关闭压缩机，剩余压缩机变频运行维持制冷量，此时，冷冻水出口温度会在9℃～12℃之间波动，但制冷效果依然较好，节能效果非常显著。
3．2水循环系统的变频控制
采用变频调速技术改变冷冻水、冷却水循环系统中水泵电机的转速，使输送能耗随流量的增减而增减。
图2所示为冷冻水循环系统的变频控制。在制冷机组冷冻水回水管上装设温度传感器，再与PID调节器、变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制变频器的频率，以控制电机转速。调节冷冻水的出水量，以便让冷冻水在风机组件中有充分的时间释放与热负荷大小相当的冷量，水泵电机的功耗就可大大降低。以制冷模式为例，温差大，表明空调房间内温度高，室內负荷大，应提高冷冻泵的转速，即频率上调;温差小，则表明室内温度低，室内负荷小，可降低冷冻水泵的转速，即频率下调。这样，使冷冻水泵机组的转速随着热负载的变化而变化。当第一台电机已达到额定功率时，如果还达不到要求则可起动第二台电机。变频运行，后面几台的操作也是如此。这样，不断调整控制，可使其达到最佳效果。
图2 冷冻水循环系统变频控制简图
冷却水系统变频控制可采用冷冻水循环系统一样的控制方式，即检测冷却水回水温度组成闭环系统进行调节。温差大，说明机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，即频率上调，增大冷却水的循环速度;温差小，说明机组产生的热量小，可降低冷却泵的转速，即频率下调，减缓冷却水的循环速度。
3．3送风系统的变频控制
送风系统要考虑系统末端的新风机、回风机、变风量风机、盘管风机等送风设备的运行控制方式。使用变频器，即可有效改变风机的转速。变频风机运行稳定，节电效果明显、控制灵活，可有效避免冷冻水水漫顶棚的麻烦，是实现中央空调风系统节能的根本途径。对于舒适性等要求较高而空间又不是太大的空调区域内，变频风机可以采用恒温PID控制。在大型的空调应用环境中，常根据节假日运行需求，采用多段速变风量控制。该控制方式是在基于对风量需求进行经验估算的基础上进行的程序控制，如用风量明显减少时，可改变吸风机转速，控制风量，减少风机的能耗。
四、水泵变频控制设计实例
某工程为一栋写字楼,建筑面积为35000m2, 地下1层, 地上22层；空调冷热源为直燃型溴化锂冷热水机组,空调水系统选用循环水泵3台,并联运行,无备用。
1、循环水泵选型与资料来源
循环水泵选型工况点参数为: 流量200m3/h,扬程32m,工况点效率75.8%。选择某品牌端吸离心泵, 型号为NK125-315, 额定转速1460r/min。以下分析所涉及的水泵相关数据及水泵性能曲线的绘制均以该型号水泵的技术资料为基础。
2、写字楼空调系统供冷期运行时间
空调系统供冷期运行时间段为4月30日～9月30日, 实际总供冷天数110d； 每天运行时间10h, 空调供冷期总的运行时间约为1100h。不同负荷率的时间权重, 取文献[1]第5.4.7条关于IPLV计算公式中A,B, C,D的对应系数。表1给出了不同负荷率下空调系统供冷期的运行时间。表2给出各典型工况点与特征工况点的效率值、平均效率值和转速。
表1不同负荷率下空调系统供冷期的运行时间
3、不同运行控制方式比较
1) 控制方式1: 恒定系统最不利环路压差, 变频调速运行。
2) 控制方式2: 末端变流量, 循环水泵按工频运行, 是一次泵空调水系统的典型运行方式。此控制方式运行能耗较高。属于非变频调速运行。
3.1不同运行控制方式时的水泵能耗
3.1.1 水泵能耗计算的基本公式：
N= (1)
N=(2)
式(1),(2)中为电动机效率, 以下计算取=0.94；为水泵在工况点的效率；为水泵的轴功率,kW；为冷水密度, kg/m3, 取999.73kg/m3；G为冷水流量,m3/s。
水泵能耗计算中关键的数据是水泵在实际工况点下的效率值。
3.1.2水泵总电耗计算结果及分析
将表1, 5相关数据代入式(1), 结果见表3。对表3所列计算结果的分析如下。
表3不同运行方式空调季水泵总电耗
可见，控制方式1与方式2相比节能率为43.9%。
3.1.3简单经济性评价
1）评价依据:采用控制方式2对应的系统运行电费节约值进行经济性评价,并令h0=10m,20m,因投资额小,所以不计贷款利息。
2）评价目标: 水泵变频调速装置的投资回收年限(本例中为供冷季)。
3）评价涉及的条件与数据：
①水泵3台,电动机额定功率为30kW,平均电费0.75元/(kWh)；
②变频控制系统为随动变频,变频器与水泵一一对应,变频器为国外品牌；
③经工程询价,变频器、相应控制系统、末端压差传感器总报价约为10万元, 即, 相对非变频调速水系统增加投资10万元。
六、结束语
通过上述分析可以看出变频控制具有提高空调系统工作效率，降低空调能耗与运营成本的优势。在中央空调变频节能至关重要的今天，采用变频调速技术，不仅能带来良好的经济效益和社会效益，而且在实际应用中有着广阔的前景。
关键词：中央空调；变频技术；节能设计
中图分类号：TU201.5文献标识码： A 文章编号：
一、中央空调系统的组成
如图1所示，中央空调系统主要由主机制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统等组成。
图1 中央空调系统的组成框图
主机制冷系统是中央空调系统的心脏———“致冷源”，由冷冻主机、压缩机、蒸发器和冷凝器组成。在蒸发器里，制冷剂和冷冻水发生热量交换，将冷冻水降温制冷，制冷剂吸收热量后蒸发;在冷凝器里，蒸发后的制冷剂和冷却水发生热量交换，制冷剂释放出热量，被冷却水带走。
冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水(出水)，由冷冻泵加压送入冷冻水管道，送到各风机风口的冷却盘管中，由盘管风机吹送冷风带走房间内的热量，达到冷却空气的目的。同时，吸收热量后温度升高的冷冻水(回水)，再流回冷冻主机。
冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷却泵将吸收热量后温度升高的冷却水(出水)压入冷却塔中，由冷却塔风机对其进行喷淋冷却，与大气进行热交换，再将降温了的冷却水(回水)送回到冷冻机组的冷凝器中，去吸收制冷剂放出的热量，使冷冻主机降温。回水的温度高于出水的温度，形成了温差。
二、水泵变频控制的节能原理
由于中央空调系统在设计时是按现场最大需求量时设计的，冷冻机组按照最大负荷配置，并且留10%～20%的设计余量，因此在实际使用中，冷冻机组、冷却泵和冷冻泵有超过90%的时间都工作在非满载状态下，所以节能的潜力较大。
风机、水泵类负载的特性如下:
(1)
式中; ,———电机转速;
，———水流量;
，———水泵扬程;
，———水泵轴功率。
即流量与转速成正比，压力正比于水泵扬程，与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。
转速公式:
=60（1-）/ (2)
式中：———电源频率;
———极对数;
———转差率。
即电机转速正比于电源频率。
由式(1)和式(2)可知，调节电机电源的频率即可改变电机转速，进而调节泵的转速、流量和轴功率。由此可见，通过频率改变，使风机、水泵转速下降时消耗的功率也大大下降，达到节能的目的。
三、中央空调变频控制设计
3．1主机制冷系统变频控制
制冷循环系统是中央空调系统的心脏，其能耗达到总能耗的60%以上，因此制冷循环系统的节能是整个系统节能的重要环节。
(1)对压缩机进行变频控制。采用变频控制的压缩机实现了软起动、软制动，大大降低了起动电流，运行噪声减小、温升降低、振动减少，能检测负载轻微的变化，并迅速调整输出。其功耗是以流量降低的三次方比例降低，且运行参数的控制精度更高，让机组始终处于最佳的运行状态，可以实现年均节能30%以上。在低负荷时，节能约可达70%，达到了大幅节能的效果。
(2)同时，压缩机也可采用多机并联制冷方式。即每次开机时，首先投入全部压缩机运行，使冷冻水出口温度降至8℃以下，1～1．5 h后部分关闭压缩机，剩余压缩机变频运行维持制冷量，此时，冷冻水出口温度会在9℃～12℃之间波动，但制冷效果依然较好，节能效果非常显著。
3．2水循环系统的变频控制
采用变频调速技术改变冷冻水、冷却水循环系统中水泵电机的转速，使输送能耗随流量的增减而增减。
图2所示为冷冻水循环系统的变频控制。在制冷机组冷冻水回水管上装设温度传感器，再与PID调节器、变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制变频器的频率，以控制电机转速。调节冷冻水的出水量，以便让冷冻水在风机组件中有充分的时间释放与热负荷大小相当的冷量，水泵电机的功耗就可大大降低。以制冷模式为例，温差大，表明空调房间内温度高，室內负荷大，应提高冷冻泵的转速，即频率上调;温差小，则表明室内温度低，室内负荷小，可降低冷冻水泵的转速，即频率下调。这样，使冷冻水泵机组的转速随着热负载的变化而变化。当第一台电机已达到额定功率时，如果还达不到要求则可起动第二台电机。变频运行，后面几台的操作也是如此。这样，不断调整控制，可使其达到最佳效果。
图2 冷冻水循环系统变频控制简图
冷却水系统变频控制可采用冷冻水循环系统一样的控制方式，即检测冷却水回水温度组成闭环系统进行调节。温差大，说明机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，即频率上调，增大冷却水的循环速度;温差小，说明机组产生的热量小，可降低冷却泵的转速，即频率下调，减缓冷却水的循环速度。
3．3送风系统的变频控制
送风系统要考虑系统末端的新风机、回风机、变风量风机、盘管风机等送风设备的运行控制方式。使用变频器，即可有效改变风机的转速。变频风机运行稳定，节电效果明显、控制灵活，可有效避免冷冻水水漫顶棚的麻烦，是实现中央空调风系统节能的根本途径。对于舒适性等要求较高而空间又不是太大的空调区域内，变频风机可以采用恒温PID控制。在大型的空调应用环境中，常根据节假日运行需求，采用多段速变风量控制。该控制方式是在基于对风量需求进行经验估算的基础上进行的程序控制，如用风量明显减少时，可改变吸风机转速，控制风量，减少风机的能耗。
四、水泵变频控制设计实例
某工程为一栋写字楼,建筑面积为35000m2, 地下1层, 地上22层；空调冷热源为直燃型溴化锂冷热水机组,空调水系统选用循环水泵3台,并联运行,无备用。
1、循环水泵选型与资料来源
循环水泵选型工况点参数为: 流量200m3/h,扬程32m,工况点效率75.8%。选择某品牌端吸离心泵, 型号为NK125-315, 额定转速1460r/min。以下分析所涉及的水泵相关数据及水泵性能曲线的绘制均以该型号水泵的技术资料为基础。
2、写字楼空调系统供冷期运行时间
空调系统供冷期运行时间段为4月30日～9月30日, 实际总供冷天数110d； 每天运行时间10h, 空调供冷期总的运行时间约为1100h。不同负荷率的时间权重, 取文献[1]第5.4.7条关于IPLV计算公式中A,B, C,D的对应系数。表1给出了不同负荷率下空调系统供冷期的运行时间。表2给出各典型工况点与特征工况点的效率值、平均效率值和转速。
表1不同负荷率下空调系统供冷期的运行时间
3、不同运行控制方式比较
1) 控制方式1: 恒定系统最不利环路压差, 变频调速运行。
2) 控制方式2: 末端变流量, 循环水泵按工频运行, 是一次泵空调水系统的典型运行方式。此控制方式运行能耗较高。属于非变频调速运行。
3.1不同运行控制方式时的水泵能耗
3.1.1 水泵能耗计算的基本公式：
N= (1)
N=(2)
式(1),(2)中为电动机效率, 以下计算取=0.94；为水泵在工况点的效率；为水泵的轴功率,kW；为冷水密度, kg/m3, 取999.73kg/m3；G为冷水流量,m3/s。
水泵能耗计算中关键的数据是水泵在实际工况点下的效率值。
3.1.2水泵总电耗计算结果及分析
将表1, 5相关数据代入式(1), 结果见表3。对表3所列计算结果的分析如下。
表3不同运行方式空调季水泵总电耗
可见，控制方式1与方式2相比节能率为43.9%。
3.1.3简单经济性评价
1）评价依据:采用控制方式2对应的系统运行电费节约值进行经济性评价,并令h0=10m,20m,因投资额小,所以不计贷款利息。
2）评价目标: 水泵变频调速装置的投资回收年限(本例中为供冷季)。
3）评价涉及的条件与数据：
①水泵3台,电动机额定功率为30kW,平均电费0.75元/(kWh)；
②变频控制系统为随动变频,变频器与水泵一一对应,变频器为国外品牌；
③经工程询价,变频器、相应控制系统、末端压差传感器总报价约为10万元, 即, 相对非变频调速水系统增加投资10万元。
六、结束语
通过上述分析可以看出变频控制具有提高空调系统工作效率，降低空调能耗与运营成本的优势。在中央空调变频节能至关重要的今天，采用变频调速技术，不仅能带来良好的经济效益和社会效益，而且在实际应用中有着广阔的前景。